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网络摄像机的原理与应用 2011-07-11 14:51:15| 分类： 默认分类 | 标签：|字号大中小 订阅网络摄像机的定义 网络摄像机，也叫IP摄像机，即IP Camera，简称IPC，在近几年得益于网络带宽、芯片技术、编码算法、存储技术的进步而得到大力发展。IPC的特点主要体现在“IP”上，即支持网络协议的摄像机，IPC可以看成是模拟摄像机与视频编码器的结合体，从图像质量指标讲，又可以实现高于模拟摄像机与视频编码器的效果。IPC是新一代网络视频监控系统中的核心硬件设备，通常采用嵌入式架构，集成了视频音频采集、信号处理、编码压缩、智能分析、缓冲存储及网络传输等多种功能，再结合网络视频存储录像系统及管理平台软件，就可以构建成大规模、分布式的智能网络视频监控系统。 相对于模拟摄像机加DVS的架构，IPC是真正的即插即用纯网络设备，IPC可以部署在局域网，也可以部署在广域网下的任何位置，允许用户通过浏览器在任何地方对摄像机视频进行显示及控制，这种相对独立的工作模式使得IPC既适用于大规模视频监控系统项目中，也可以独立分散应用在如商店、学校、家庭的分布式、需要远程视频监控应用中。图 1 IPC在网络监控系统中角色示意图 IPC的主要功能： 视频编码：采集并编码压缩视频信号音频功能：采集压缩音频信号，实现音频实时播放或录音网络功能：编码压缩的视音频信号通过网口传输 云台、镜头控制功能：通过网络控制云台、镜头的各种动作缓存功能：可以把压缩的视音频信号临时存储在本地存储介质 报警输入输出：能接受、处理报警输入输出信号，即具备报警联动功能移动检测报警：检测场景内移动物体并产生报警，灵敏度可调视频分析：自动对视频场景进行分析，比对原则并触发报警 IPC的优势 在模拟摄像机中，CCD传感器所产生的模拟信号首先经过模/数（A/D）转换器转换为数字信号，然后由摄像机内置的DSP芯片进行信号处理，如增益、降噪、背光补偿等处理。经过DSP处理后的数字信号又经过数/模（D/A）转换重新转化为模拟信号，用于在同轴电缆上进行传输，然后传输至DVR或DVS后再次进行模/数（A/D）转换来完成编码压缩工作，这样多次模/数、数/模转换过程牺牲了大量图像质量。 在IPC中，如果传感器输出的是数字信号，那么该数字信号可以直接传送给编码压缩芯片完成编码压缩工作，之后打包上传到网络上进行传输；如果传感器输出的是模拟信号，那么需要进行一次模数转换，再进行编码压缩，打包上传。因此IPC比模拟系统信号转换环节少，可以尽可能减少图像质量损耗。另外，IPC通常采用逐行扫描传感器，相对于模拟摄像机的隔行扫描方式，图像质量更好。 IPC的硬件构成 IPC的硬件构成一般包括镜头、图像传感器、声音传感器、信号处理器、模/数转换器、编码芯片、主控芯片、网络及控制接口等部分组成。光线通过镜头进入传感器，然后转换成数字信号由内置的信号处理器进行处理，处理后的数字信号由编码压缩芯片进行编码压缩，最后通过网络接口发送到网络上进行传输。图 2 IPC硬件构成结构示意图 从上图可以看成，独立芯片+CPU的架构中，编码压缩工作与系统主控工作分别独立在两个芯片完成，而在SOC的架构中，系统的SOC除了具有完成视频的编码压缩工作外，还需要处理系统数据及网络数据。 IPC的工作原理 图像信号经过镜头输入及声音信号经过麦克风输入后，由图像传感器和声音传感器转化为电信号，模/数转换器将模拟电信号转换为数字电信号，再经过编码器按一定的编码标准进行编码压缩，在控制器的控制下，由网络服务模块按一定的网络协议传送到网络，控制器还可以接收报警信号及向外发送报警信号。IPC启动时，主控模块将系统内核转入系统内存SDRAM中，系统从SDRAM启动。系统启动后，主控模块控制通过串行接口/主机接口等控制编码模块、网络模块及串行接口，实现视频的编码压缩、网络传输及PTZ控制。IPC加电启动后软件启动的过程包括装载启动代码、设备驱动程序、网络协议处理，监控接收转发控制程序等。 IPC的亮点功能 IPC的无线功能。远距离信号传输在模拟视频监控时代就是一个问题，无线网络技术带给IPC远距离传输解决方案。无线传输具有重要的意义，在有线施工困难场所、或者摄像机位置不固定场所，无线网络IPC将会带来很大便利性。另外，对于建筑之间的IPC联网，可以节省大量网络布线施工成本，目前的无线技术主要有WIFI、3GPP、WIMAX等。 PoE技术。PoE（PoweroverEthernet），指的是通过以太网为网络设备提供电力的技术，PoE技术遵循于IEEE 802.3af标准，在不降低网络数据通讯性能的基础上对网络设备进行供电，是IT行业的一个成熟标准。将PoE技术引入到IPC系统应用中，可以解决IPC单独供电的施工及线缆成本，并便于管理。IEEE 802.3af标准规定的受电设备的功率在12.95瓦以下，基本可以满足各普通固定类IPC的供电需求，而对于PTZ式IPC或快球IPC，可能仍然需要另外单独供电。 本地缓存功能。对于网络摄像机或视频编码器，一个弱点是其对网络的依赖性过强，实时的浏览与存储需求导致网络不允许有一刻的中断，否则带来的后果是部分视频丢失，这在一些重要场合是无法接受的，因此，需要临时存储报警前后的视频信息。一些厂家的IPC具有本地缓存机制，实现IPC的本地临时存储（Ring Buffer），本地缓存可作为网络故障时图像的缓冲设备，在网络恢复正常后，再将视频进行上传，这样可有效地保证视频数据的连续性和完整性。 IPC的安全通信。闭路电视监控系统，系统采用点对点连接，系统中没有任何加密或认证机制，如果想截获或者破坏视频信号，仅仅需要物理连接到这个闭路系统中，采用搭线的方式或切换视频源的方式对视频信号进行截获或破坏。对于网络视频监控系统，数据包直接在开放的网络环境中传输，因此，视频数据及控制数据的中途截取是个风险，同时，由于其采用数字化网络化架构，因此具有多种安全保护机制，数据加密方式通常有以下几种：SSL、HTTPS、IPSec VPN。 报警改变帧率技术。通常采用网络录像机（NVR）对IPC传输过来的视频进行存储，实际上，IPC每时每刻都在产生大量的数据流，这对存储系统是个巨大的考验，存储系统存储的大量数据，实际证明，绝大多数是无用的垃圾数据，没有任何价值。在存储系统中，真正有意义的数据是IPC报警及事件触发后的相关视频，既然如此，可以通过在平时状态下，采用较低的分辨率和帧率进行录像，而一旦发生事件或报警，系统自动切换成高分辨率和帧率进行录像，这样可以节省大量的存储资源同时有可以保证重要的视频的高画质。 IPC的多码流技术。IPC的“多码流”技术意义重大，多码流技术指对于同一个视频源，IPC能够产生并传输多个不同帧率、分辨率或图像质量的码流，以满足不同的用户的需求，本地存储、远程观看及移动终端用户观看等。需要注意的是这些码流可能采用不同的编码压缩方式，并且相互之间应该是完全独立的，由IPC直接生成而无需辅助手段。例如一个工厂园区项目，在多个分控中心的客户端上，可以进行实时高画质的视频浏览，而为了节省存储空间，可以对采用高画质低帧率的存储方式，而对于保安人员手中的移动终端，可以选择更低码流的视频进行显示，这样同时满足不同用户的需求。 图 3 IPC多码流技术原理示意图 视频分析技术。视频分析技术即VCA技术（Video Content Analysis）在IPC中得到越来越多的应用。VCA技术不同于VMD（Video Motion Detection）技术，VCA技术不使用相邻帧之间进行对比实现移动目标探测，而是首先将视频图像中的背景和前景（目标）进行分离，并保持背景的自动更新，然后通过对前景目标的探测、跟踪、分类及识别，并参考为不同摄像机场景预设的报警触发规则，将目标行为与规则进行比较，一旦前景目标触发了规则，系统则自动实现告警。VCA技术可以对视频图像内容进行预处理，过滤掉对分析产生影响的因素，如、风、霜、雨、雪、雾等自然情况，排除各种干扰，集中资源对目标进行探测、跟踪、分类、识别，相对于VMD技术，VCA技术更专注于前景，并具有“记忆”识别能力。 对于具有VCA功能的IPC，视频分析单元部署在前端端，便可以构建分布式的IVS系统。目前的问题是前端芯片处理资源不足，不过随着IC技术的飞速发展及算法的不断提升，对视频分析边缘化有很大推动，也有产品采用附加芯片的方式，单独增加一个芯片专门做分析用，成本提高。此方式架构如图所示：图4 带视频分析功能IPC架构示意图 此种架构的优点是系统只有当报警发生的时候才传输视频到控制中心或存储中心，大大节省的网络负担及存储空间；可以使得视频分析单元直接对原始或最接近原始的图象进行分析，精确度高；灵活部署、数量无限制；与NVR及管理平台深度集成。 此种架构的缺点是IPC目前芯片处理能力及内存有限，限制了视频分析功能；嵌入式的系统分析架构，必然研发周期长；视频分析软件升级麻烦，需要更新固件FW，影响运行。 IPC的选型与应用 IPC的选型要点。通常，用户在选择IPC时，首先需要参考的就是IPC厂商提供的IPC参数（Specifications）。通常，IPC厂商提供非常完整的全面的参数列表，其中包括传感器类型、芯片类型、视频输出、音频接口、报警接口、存储接口、网络接口、POE功能等硬性指标，还有如操作系统、压缩算法、帧率、分辨率、码流、网络协议、照度、Web功能等软性参数，通常参数表基本可以了解IPC的功能、档次。但是，还有一类参数如二次开发支持、本地存储空间、图像延时、网络适应性、并发访问数支持可能不会显示在参数列表，需要进一步了解。在IPC选型时，需要根据现场具体情况进行选择，没有必要片面追求高性能。 图像质量是IPC的根本，包括色彩还原能力、静态动态下的清晰度、无拖影、马赛克。网络适应性是IPC的重点考察点，尤其对恶劣环境的适应性，传输的延迟情况。其它复杂多余的功能需要根据需要来评估，并要综合考虑性价比 IPC的应用设计。模拟摄像机与IPC的设计部署有一定的区别，对于模拟系统，需要考虑的问题主要在施工布线上，比如矩阵的位置、线缆的铺设、供电方式等。对于IPC，通常仅仅需要一个网络接口可能就全部解决，因此，设计的重点不在安装施工，而在网络与存储方面，因此需要考虑录像系统在网络的位置，需要考虑带宽的占用等。在IPC应用设计时，首先需要明确具体项目的应用需求，点位的数量、分布情况，存储系统的架构，网络建设情况等。其次要注意，目前并非IPC适用所有的项目，只有在网络建设可以良好实现的情况下，具有集中存储优势及前端点位分布比较分散的情况下，IPC是不错的选择。 监视目标及范围。在部署IPC之前，首先需要明确监视目标及范围，这是前提。监视目标分宏观及微观，宏观监视一般是用来了解场景内目标的大概行为，微观监视是对场景内目标需要识别，如人脸、ATM、车辆号码等。监视范围主要指视频场景中能够覆盖到的区域。监视目标及范围因素共同决定了IPC的类型，如焦距、固定或PTZ、安装位置、是否采用百万像素高清机型等。 安装环境因素。与模拟摄像机类似，IPC设计时需要考虑安装环境，安装环境的考察是为了确定摄像机的灵敏度及防护罩选用。如室外无光源情况下可能需要考虑辅助光源或采用日夜转换型IPC，室外灰尘污染严重的情况下需要考虑防尘防护罩，室内无天花的环境下需要考虑支架安装等。 存储及带宽需求。视频的存储及带宽需求与多种因素有关，如：摄像机数量及分布情况；摄像机录像方式如实时或报警录像或按时间表录像；录像的参数如帧率、分辨率、图像质量，码流参数；视频场景的复杂情况，如繁忙与相对平静；视频